JP2005086884A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

【課題】 振動体の支持構造を工夫することにより、振動特性の変化や周波数調整の困難さを解消することが可能な超音波モータを提供することにある。
【解決手段】 本発明による超音波モータは、振動体と、上記振動体の外周部より放射方向外方に向けて張り出された一対の支持部と、を具備したものであり、振動体の内径部ではなく外周部を介して支持するように構成することにより、振動特性の変化や周波数調整の困難さを解消せんとするものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波モータに係り、特に、その振動体の支持構造を工夫することにより、振動特性の変動等を防止すると共に安定した支持状態を得ることができるように工夫したものに関する。

まず、超音波モータの駆動原理を説明する。すなわち、超音波モータの駆動原理は、圧電素子の逆圧電効果を利用して得られた機械的変位及び力を離散的又は連続的な回転運動又は直線運動に変換するものである。又、この種の超音波モータにおいては、図７（ａ）に示すように、円環型振動体１０１を使用していて、この円環型振動体１０１には、図示するように、中心部に貫通孔１０３が形成されていて、この貫通孔１０３に固定用ボルト１０５を通してねじ込むことにより、円環型振動体１０１を固定するようにしている。

そして、図７（ａ）に示すように、ラジアル振動を引き起こす径方向対称伸び振動モードがあり、この場合にはＡ−Ａ´点では、径方向の変位成分（Ｕｒ）を持つことになる。又、図７（ｂ）に示すように、面内で屈曲振動を引き起こす非軸対称振動モードがあり、この場合にはＡ−Ａ´点を中性線とする面内屈曲振動が発生する。この場合にはＡ−Ａ´点では円周方向に変位成分（Ｕθ
）を持つ。
そして、これら径方向対称伸び振動モードと非軸対称振動モードとに位相差を持たせることによって、図７（ｃ）に示すように、Ａ−Ａ´点に楕円の軌跡を描かせるものである。

そして、上記Ａ−Ａ´点に図示しないガイド部材を接触させることによって、回転運動又は直線運動に変換させるものである。
又、上記径方向対称伸び振動モードと非軸対称振動モードの二つのモードの周波数を縮退させる方法として円環の内径比・外径比を変化させる方法を採用している。具体的には、既に説明した円環型振動体１０１の貫通孔１０３の内径部を適宜削ることにより円環の内径比・外径比を変化させ、それによって、周波数を調整するものである。

尚、この種の超音波モータの構成を開示するものとして、例えば、特許文献１、特許文献２、非特許文献1、非特許文献２等がある。
特開平８−３１７６７１号公報 特開平１１−２２０８９４号公報 １９９５年５月第１２回強誘電体応用会議１９９５．５．２４〜２７ 予稿集 「（Ｒ、１）−（（１、１））モード圧電円環利用超音波リニアモータの特性改善」 高野剛浩 富川義郎 著 ２００１年９月超音波研究会（東北工業大学）２００１．９．２５〜２６ 予稿集 「小さな動きと大きな動きの2つの動作機能を有する圧電リニア・モータ」 丸子雄一 小笠原俊治 富川義郎 高野剛造 著

上記従来の構成によると次のような問題があった。
既に説明したように、円環型振動体１０１はその中心部を介して固定用ボルト１０５によって固定されているが、その固定用ボルト１０５による締付具合によって振動特性が変化してしまい、特に、屈曲の共振周波数が上昇してアドミタンスが著しく低下してしまうという問題があった。
又、円環型振動体１０１の振動個所を固定用ボルト１０５によって押さえている為、モータとして使用している間に、径方向に回転してしまう等、支持構造として安定しないという問題があった。
又、共振周波数の調整を行い易い内径部を押さえる構造である為に、加圧した状態での周波数調整が困難であるという問題があった。すなわち、周波数を調整するためには、振動体１０１の貫通孔１０３の内径部を削る等の作業が必要となるが、内径部１０３には固定用ボルト１０５が貫通・配置されているために、そのような作業を行うことができないからである。

本発明はこのような点に基づいてなされたものでその目的とするところは、振動体の支持構造を工夫することにより、振動特性の変化や周波数調整の困難さを解消することが可能な超音波モータを提供することにある。

上記目的を達成するべく本願発明の請求項１による超音波モータは、振動体と、上記振動体の外周部より放射方向外方に向けて張り出された一対の支持部と、を具備したことを特徴とするものである。
又、請求項２による超音波モータは、請求項１記載の超音波モータにおいて、上記支持部は幅狭の張出部と、該張出部に連設された固定部と、から構成されていることを特徴とするものである。
又、請求項３による超音波モータは、請求項２記載の超音波モータにおいて、上記固定部は上記張出部の張出方向に直行する方向に延長されているものであることを特徴とするものである。
又、請求項４による超音波モータは、請求項１〜請求項３の何れかに記載の超音波モータにおいて、上記振動体と支持部とからなる要素を連接したことを特徴とするものである。
又、請求項５による超音波モータは、請求項１〜請求項４の何れかに記載の超音波モータにおいて、上記振動体は弾性体の両面又は片面に圧電材料を貼り付けた構成をなすものであることを特徴とするものである。
又、請求項６による超音波モータは、請求項１〜請求項４の何れかに記載の超音波モータにおいて、上記振動体は圧電材料から構成されていることを特徴とするものである。

つまり、本発明による超音波モータは、振動体と、上記振動体の外周部より放射方向外方に向けて張り出された一対の支持部と、を具備したものであり、振動体の内径部ではなく外周部を介して支持するように構成することにより、振動特性の変化や周波数調整の困難さを解消せんとするものである。
その際、上記支持部を幅狭の張出部と、該張出部に連設された固定部と、から構成することが考えられ、幅狭の張出部を介在させることにより、支持部が振動板に与える影響を軽減させようとするものである。
又、上記固定部を上記張出部の張出方向に直行する方向に延長することが考えられる。
又、上記振動体と支持部とからなる要素を連設することが考えられる。
尚、上記振動体の構成としては、例えば、弾性体の両面又は片面に圧電材料を貼り付けた構成をなすものや、振動体自体を圧電材料から構成することが考えられる。

以上本発明による超音波モータによると次のような効果を奏することができる。
まず、振動特性がいたずらに変化しない支持構造を得ることができる。これは、従来のように振動体を内径部を介して支持するのではなく、外周部に設けられた支持部を介して支持するように構成したからである。
又、振動体の内径部のような振動個所を支持しているのではなく外周部を介して支持しているので、モータとして使用している間に径方向に回転してしまう等の問題はなく安定した支持構造とすることができる。
又、振動体の内径部分はこれを適宜削ることができ、よって、加圧した状態での周波数調整が可能になるものである。
又、幅狭の張出部を介在させるようにした場合には、振動体の振動部分に対してより離間した位置にて支持することができ、それによって、上記効果をより高めることができる。

以下、図１を参照して本発明の第１の実施の形態を説明する。図１（ａ）は本実施の形態による超音波モータに使用される振動体１の平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のｂ−ｂ矢視図である。上記振動体１は、円環型をなす弾性体３の表裏両面に圧電セラミックス５、７を貼り付けた構成になっている。
尚、上記圧電セラミックス５、７の代わりに圧電結晶材料を貼り付けても良い。

上記弾性体３の外周位置であって１８０°の方向に対向する二箇所からは支持部９、１１が放射方向外方に向けて延長されている。上記支持部９は、幅狭の張出部１３と、この張出部１３に連設された固定部１５とから構成されている。上記固定部１５は、張出部１３の張出方向に直交する方向であって弾性体３に平行な方向に張出部１３を挟んで図１（ａ）中上下均等に延長されている。そして、固定部１５の両端には図示しない固定ねじが通される貫通穴１７、１９が形成されている。

上記支持部１１についても、上記支持部９と同様の構成になっている。すなわち、上記支持部１１は、幅狭の張出部２１と、この張出部２１に連設された固定部２３とから構成されている。上記固定部２３は、張出部２１の張出方向に直交する方向であって弾性体３に平行な左右方向に張出部２１を挟んで図１（ａ）中上下均等に延長されている。そして、固定部２３の両端には図示しない固定ねじが通される貫通穴２５、２７が形成されている。

上記振動体１の内周側には円形開口部２９が形成されている。この円形開口部２９の内径部を適宜削ることにより、加圧した状態で周波数の調整ができるように構成されている。
尚、駆動のメカニズムに関しては従来例の説明で述べたものと同じであるのでその説明は省略する。

以上本実施の形態によると次のような効果を奏することができる。
まず、振動特性（周波数やアドミタンス等）が不用意に変動しない支持構造を得ることができる。これは、従来のように振動体をその内径部を介して支持・固定するのではなく、振動体１の外周部に設けられた支持部９、１１を介して支持するように構成したからである。
又、振動体１の内径部のような振動個所を支持しているのではなく外周部を介して支持しているので、モータとして使用している間に径方向に回転してしまう等の問題はなく安定した支持構造とすることができる。
又、振動体１の内径部分、すなわち、開口部２９はこれを適宜削ることができ、よって、加圧した状態での周波数調整が可能になるものである。
特に円環振動子の２つの振動モードの共振周波数と、支持部のはりの曲げ共振周波数が近づくように支持部の寸法を設定することにより、上記効果をより高めることができる。

次に、図２を参照して本発明の第２の実施の形態を説明する。前記第１の実施の形態の場合には、弾性体３の表裏両面に圧電セラミックス５、７を貼り付けて振動体１を構成したが、この第２の実施の形態の場合には、弾性体３の片側にのみ圧電セラミックス５を貼り付けて振動体１を構成したものである。
その他の構成は前記第１の実施の形態の場合と同様であり、同一部分には同一符号を付して示しその説明は省略する。

この第２の実施の形態の場合も前記第１の実施の形態の場合と同様の作用・効果を奏することができるものである。

次に、図３を参照して本発明の第３の実施の形態を説明する。この第３の実施の形態の場合には、振動体１自体を圧電セラミックスにて構成したものである。
その他の構成は前記第１の実施の形態及び第２の実施の形態の場合と同様であり、同一部分には同一符号を付して示しその説明は省略する。
よって、この場合も前記第１及び第２の実施の形態の場合と同様の効果を奏することができるものである。
尚、上記振動体１を圧電結晶材料によって構成するようにしてもよい。

次に、図４を参照して本発明の第４の実施の形態を説明する。この第４の実施の形態の場合には、前記第１の実施の形態において、支持部９、１１の固定部の向きを９０°回転させたものである。すなわち、支持部９の固定部３１は、振動体１と直交する方向にその取付面を指向させており、同様に、支持部１１の固定部３３も、振動体１と直交する方向にその取付面を指向させている。又、上記固定部３１には貫通孔３５、３７が穿孔されており、同様に、上記固定部３３にも貫通孔３９、４１が穿孔されている。
その他の構成は前記第１の実施の形態の場合と同様であり、同一部分には同一符号を付して示しその説明は省略する。
よって、この場合も前記第１〜第３の実施の形態の場合と同様の効果を奏することができるものである。

次に、図５を参照して本発明の第５の実施の形態を説明する。この第５の実施の形態の場合には、前記第１の実施の形態における支持部９、１１の構成を変えたものである。すなわち、支持部９の固定部４１を振動体１の面に対して直交する方向に延長させたものである。又、固定部４１の両端は折り曲げられており、そこに貫通孔４３、４５が穿孔されている。支持部１１側の固定部４７も同様であり、振動体１の面に対して直交する方向に延長されていて、その両端は折り曲げられていて、そこには貫通孔４９、５１が穿孔されている。
その他の構成は前記第１の実施の形態の場合と同様であり、同一部分には同一符号を付して示しその説明は省略する。
よって、この場合も前記第１〜第４の実施の形態の場合と同様の効果を奏することができるものである。

次に、図６を参照して本発明の第６の実施の形態を説明する。前記第１〜第５の実施の形態の場合には、１個の振動体１を対象にした構成を例に挙げて説明したが、この第６の実施の形態の場合には、これを２個分連設したものである。
前記第１の実施の形態の構成と同一部分には同一符号を付して示しその説明は省略する。
よって、この場合も前記第１〜第５の実施の形態の場合と同様の効果を奏することができるものである。

尚、本発明は前記第１〜第６の実施の形態に限定されるものではない。
まず、繰り返しになるが、振動体の構成としては、弾性体の表裏両面又は片面に圧電セラミックスや圧電結晶材料を貼り付けたもの、弾性体自体を圧電セラミックスや圧電結晶材料によって形成したもの、等様々な構成のものが想定される。
又、支持部の構成も図示したものに限定されることはない。
又、連設する場合に３個以上連設する構成も想定される。

本発明は、振動体の支持構造を工夫することにより振動特性の変動等を防止すると共に安定した支持状態を得ることができるように工夫した超音波モータに係り、例えば、一軸アクチュエータの駆動源としてその利用が考えられる。

本発明の第１の実施の形態を示す図で、図１（ａ）は振動体の平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のｂ−ｂ矢視図である。 本発明の第２の実施の形態を示す図で、図２（ａ）は振動体の平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のｂ−ｂ矢視図である。 本発明の第３の実施の形態を示す図で、図３（ａ）は振動体の平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のｂ−ｂ矢視図である。 本発明の第４の実施の形態を示す図で、図４（ａ）は振動体の平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のｂ−ｂ矢視図、図４（ｃ）は図４（ａ）のｃ−ｃ矢視図である。 本発明の第５の実施の形態を示す図で、図５（ａ）は振動体の平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のｂ−ｂ矢視図である。 本発明の第６の実施の形態を示す図で、図６（ａ）は振動体の平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のｂ−ｂ矢視図である。 従来例を示す図で、図７（ａ）は振動体のラジアル方向への振動を示す図、図７（ｂ）は振動体の屈曲振動を示す図、図７（ｃ）は楕円軌道を示す図である。

符号の説明

１ 振動体
３ 弾性体
５ 圧電セラミックス
７ 圧電セラミックス
９ 支持部
１１ 支持部
１３ 張出部
１５ 固定部
１７ 貫通孔
１９ 貫通孔
２１ 張出部
２３ 固定部
２５ 貫通孔
２７ 貫通孔

Claims (6)

1. 振動体と、
   上記振動体の外周部より放射方向外方に向けて張り出された一対の支持部と、
   を具備したことを特徴とする超音波モータ。
2. 請求項１記載の超音波モータにおいて、
   上記支持部は幅狭の張出部と、該張出部に連設された固定部と、から構成されていることを特徴とする超音波モータ。
3. 請求項２記載の超音波モータにおいて、
   上記固定部は上記張出部の張出方向に直行する方向に延長されているものであることを特徴とする超音波モータ。
4. 請求項１〜請求項３の何れかに記載の超音波モータにおいて、
   上記振動体と支持部とからなる要素を連設したことを特徴とする超音波モータ。
5. 請求項１〜請求項４の何れかに記載の超音波モータにおいて、
   上記振動体は弾性体の両面又は片面に圧電材料を貼り付けた構成をなすものであることを特徴とする超音波モータ。
6. 請求項１〜請求項４の何れかに記載の超音波モータにおいて、
   上記振動体は圧電材料から構成されていることを特徴とする超音波モータ。

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